协同分析在集成电路失效定位中的应用探讨

第１７卷，第８期　Ｖｏｌ　１７．Ｎｏ．８　

电子与封装　

ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩＣＳ＆ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ　总第１７２期　

２０１７年８月　

⑧⑩⑧⑧⑧⑧⑧⑧⑧　协同分析在集成电路失效定位中的应用探讨　

虞勇坚，邹巧云，吕　栋，陆　坚　（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡２１４０３５）　

摘要：随着集成电路规模和制造工艺的发展，对失效电路进行失效点定位的难度也越来越大，单独　依靠一种分析方法很难实现失效点定位。利用先进分析仪器设备，采用多种方法协同分析，成为针　对大规模集成电路失效定位分析的必然选择。从有效实现失效定位为出发点，根据失效分析的标准　和流程，将定位分析过程和设备仪器划分成三个层次，结合在各分析阶段发现的失效案例，说明多　种分析方式协同使用可以实现大规模集成电路失效点的快速、准确定位，分析过程中获取的信息可　以为后续的失效机理和失效原因分析提供可靠依据。　关键词：集成电路；失效分析；协同分析；失效定位　中图分类号：ＴＮ４０７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６８１—１０７０（２０１７）０８—００３６—０５　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　Ｙｕ　Ｙｏｎｇｊｉａｎ，ＺＯＵ　Ｑｉａｏｙｕｎ，ＬＶ　Ｄｏｎｇ，ＬＵ　Ｊｉａｎ　（Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　Ｎｏ．５８　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｘｉ　２１４０３５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｃａｌｅ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｔ　ｉｓ　ｄｉｆｉｃｕｌｔ　ｔｏ　ｌｏｃａｔｅ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｏｉｎｔ　ｏｆ￣ｉｌｕｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｓｉｎｇｌｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｍａｙ　ｎｏｔ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｃｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔ．Ａｄｖａｎｃｅｄ　ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｉｎｅｖｉｔａｂｌｅ　ｃｈｏｉｃｅｓ　ｆｏｒ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ￣ｉｌｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｉｓ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｒｅｅ　ｌｅｖｅｌｓ．Ｖａｒｉｏｕｓ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｃａｓｅｓ　ｆｏｕｎｄ　ｉｎ　ｅａｃｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｔａｇｅ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ—ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｆａｓｔ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｏｉｎｔｓ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｆａｉｌｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ；ｆａｉｌｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆａｉｌｕｒｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　

１　引言　（（ＧＪＢ３２３３－１９９８半导体集成电路的失效分析程序　和方法》［１１中给出了最低限度、基本分析和全面分析这　三个层次的分析程序和方法，指出了从外部分析到内　部解剖分析，从非破坏性分析、半破坏性分析到破坏　性分析的顺序和原则。　集成电路的整个失效分析流程中，各个阶段的分　析过程实际上是借助于各类仪器设备和分析方法实　

收稿日期：２０１７—６—１０　—３６一　

现失效定位的过程，需要对失效模式进行准确辨别，　也是剖析失效机理的先决条件。集成电路常见的失效　模式主要包括漏电、短路、开路、参数漂移及功能失效　等，而典型的失效机理则包括静电放电、过电应力、环　境应力损伤、工艺缺陷及封装缺陷等［２－５］。伴随着集成　电路工艺制程的发展，芯片的布线层数越来越多，其　关键尺寸也越来越小，集成电路的失效机理有了新的　发展，如ＴＤＤＢ、ＨＣＩ等效应更为显著，失效分析难度　也越来越大。要高效、准确地达到集成电路失效分析　的目的，需要借助更为先进的高精度仪器设备、恰当　第ｌ７卷第８期　虞勇坚，邹巧云，吕栋，等：协同分析在集成电路失效定位中的应用探讨　的分析方法和合理的分析步骤，采用多种分析方法协　同进行的方式，快速、准确地定位失效位置，为后续的　机理分析和失效原因分析提供可靠的依据。　２　协同分析过程中的仪器设备　在（（ＧＪＢ３２３３－１９９８半导体集成电路的失效分析程　序和方法　中给出了开展失效分析和定位过程中常用　的电特性测试设备、观察测量设备、实验设备、解剖工　具和辅助设备、化学工作间设施、物理分析设备的名　称和分析方法，伴随着技术的发展，一些新型的失效　定位工具逐步得到应用，并具有优越的效果。　针对这些新型的仪器设备和分析方法，按照在失　效分析过程中具有的功能和所处地位，大体来说可以　分成非破坏性分析仪器、半破坏性分析仪器和破坏性　分析仪器三大类。例如，ＡＴＥ自动测试设备、，＿　曲线　测试仪、ｘ射线测试仪、扫描超声测试仪等可归为非破　坏性分析仪器设备；ＥＭＭＩ、红外热像仪等需要对样品　进行开封，但保留电路内部和电性连接完好，可将其　归为半破坏性分析仪器设备；而ＳＥＭ＋ＥＤＳ、ＦＩＢ等设　备，则需要对样品进行一定程度的预先制样，例如金　相制样、切割等，可归为破坏性分析仪器设备。　２．１　自动测试设备（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｔｅｓｔ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＡＴＥ）　和，＿　曲线测试仪（，－Ｖ　Ｃｕｒｖｅ　Ｔｒａｃｅｒ，，＿　）　两者都属于电特性测试设备，测试机台的精度、　功能都有了巨大的发展。　市场上成熟的高精度ＡＴＥ自动测试设备厂家有　很多，最有代表性的是日本爱德万公司和美国泰瑞达　公司，程序开发工程师可以根据电路种类和产品规范　内的技术指标，在设备上编写测试程序，对器件的各　个端口进行连通性测试、对各个输入端口进行高低电　平漏电测试、对各输出端口的驱动能力进行输出高低　电平测试，对器件的静态电流、动态电流、时序、功能等　进行全参数测试，并可在测试过程中对器件同步施加　高、低温等环境应力条件。　由于器件内部的键合点ＰＡＤ与电路内部之间有　ＥＳＤ保护电路存在，该保护电路从本质上可以等效为　一个反偏的二极管　。，＿　曲线测试仪主要用于考察　该保护二极管在一定范围内的电压一电流特性，测试　时设定电压输入范围（横坐标），考察电流的变化趋势　（纵坐标），通过对正常端口和异常端口的比较，确定失　效端口以及失效模式。　２．２　Ｘ射线测试系统。（一ｒａｙ　Ｓｙ￣ｅｍ，Ｘ・ｒａｙ）和扫描超　声显微镜（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＡＭ）　两者属于观察测量设备，是对失效器件进行内在　缺陷的检测。　利用ｘ射线的穿透特性，对器件内部的不可见区　域进行２Ｄ成像，用于分析元器件内部诸如键合丝倒　伏、密封环失效、多余可动颗粒物、内部元件安装错误　等结构缺陷；利用其３Ｄ成像能力，可“剥离”器件内部　包含基板在内的所有内部层次和任意需要的观察面。　扫描超声显微镜通过比较不同区域发射和接收　穿透物体后反射回的声波传输时间差，获取观察面的　特性，例如芯片和基板分层、裂缝、界面剥离等缺陷。　２．３微光显微镜（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＥＭＭＩ）￥Ｄ红外　热像仪（Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｉｍａｇｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）　两者属于物理分析设备，是通过激发缺陷后与正　常区域的对比实现失效定位工具。　对于光学显微镜不能定位的损伤，特别是端口漏　电流异常的电路，ＥＭＭＩ是有效的失效定位探测手　段　。通过在异常端口施加合适的电应力，在黑暗的　环境下，电制冷的探测器接收来自器件内部的ＰＮ结　漏电微光，与光学图像复合后，在失效定位方面具有　直观、快速、可重复的特点。　红外热像仪可与ＥＭＭＩ配合使用，对于缺陷和失　效点，施加电应力后往往会在失效位置出现的异常热　点，ＥＭＭＩ观察不到的现象，可尝试利用液氮制冷红外　热像仪寻找漏电热点，进行失效定位，另外红外热像　仪的分析功能可用于结温测量。　２．４扫描电子显微镜（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，　ＳＥＭ）　能谱仪（Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ＥＤＳ）　和聚焦离子束（Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏｎ　ｂｅａｍ，ＦＩＢ）　这几类同样属于物理分析设备，属于破坏性分析　仪器设备，技术的发展促使现在的仪器可以达到更高　的显示和分析精度。　扫描电镜是重要的失效分析工具，可用于观察失　效形貌，例如极细微的漏电击穿通道，配合ＥＤＳ则可　对异常区域或材料进行定性的成分分析。　ＦＩＢ可快速、准确地对失效点进行定点纵向解剖，　获取器件纵向上的失效分布、演变信息。　

３　失效定位协同分析方法　伴随集成电路设计和加工复杂度的提升，单项分　析过程往往不能有效实现失效位置的准确定位，这就　要求失效分析工程师能够在（（ＧＪＢ３２３３—１９９８半导体集　

．３７．　第１　７卷翦８期　电子与封装　成电路的失效分析程序和方法））给出的分析方法基础　上，充分利用资源，利用多种分析方法协同进行分析。　图１将新增失效定位分析方法划分成非破坏性分　析定位、半破坏性分析定位和破坏性分析定位三个过程。　图１失效定位协同分析流程图　在进行非破坏性分析定位过程中，有测试条件的　可通过ＡＴＥ测试分析，结合，＿　曲线分析，从电性测　试方面对失效端口进行定位，确定失效模式；利用　Ｘ—ｒａｙ和扫描超声分析检验工艺问题、组装过程或其　他阶段引入的缺陷、失效。　半破坏性分析定位对电路有一定的破坏性，但依　然能保持电路的电性连接完好。半破坏性分析定位需　要预先通过机械或化学的方法打开失效电路的封盖，　暴露出洁净的芯片表面，以便能够通过ＯＭ内部检　查、ＥＭＭＩ和红外热像分析定位失效点。　破坏性分析定位则更进一步，在半破坏性分析的　基础上利用解剖分析的方法，逐层去除芯片表面的各　介质层、金属层和多品层，直至衬底（有源区表面），在　ＳＥＭ下进行平面观察，寻找细微的物理损伤失效点如　ＥＳＤ击穿痕迹；或者通过金相制样的方法，利用ＳＥＭ　进行剖面观察，寻找器件的内部分层开裂、引线脱落　等失效点、失效界面；或者通过ＦＩＢ的方法精确制作　剖面，逐渐向失效点逼近，采集剖切过程中的离子束　逐次磨抛的界面图像，直至找到损伤点在纵向一卜的分　布和演变过程。　３．１　ＡＴＥ测试数据分析　应根据器件失效时的环境，在相应的环境条件下　进行测试，如高低温失效的器件应在相应的高低温环　境下对器件进行全参数测试，便于后续进行数据分　析，有条件的可仿用户环境搭载实验平台，以复现失　效现象。　ＡＴＥ的测试数据都具有可读、规范化的格式，失　效分析工程师可方便地解读和判别。例如连接性测试　可判断端口开短路存在，而图２所示的失效项，则表明　器件端口（Ｂ２６）的输入漏电流超标，这种参数变化往　一３Ｒ．　往代表器件的端口保护电路存在损伤。　６１　Ｉｏｒｒ　Ｂ：＇　，＇　’Ｏ．ＯＯ如　，’２　ｓ７０ＯＩ　ｄ６　Ｏ　…　Ｔ０Ｆｒ　＾…２　９口ｏｏ　１　ｑ７…　ｔｒｉｐ　口，ｍ　ｌｎ｜｜静‘　哪ｔａｌｋ■■■■＿